Kfz-Beleuchtung

Die Kfz-Beleuchtung zählt schon seit vielen Jahrzehnten zu den Forschungsschwerpunkten des Fachgebiets Lichttechnik. Technische Innovationen für verschiedene Anwendungen, wie Frontscheinwerfer, Heckleuchten und Kfz-Innenraumbeleuchtung werden dabei vom Fachgebiet Lichttechnik mitgestaltet und validiert. Neben den konventionellen Anwendungsgebieten entstehen durch die Entwicklung von hochautomatisierten Fahrzeugen neue Anwendungsgebiete und Herausforderungen, welche durch innovative Beleuchtungs- und Signalkonzepte zu lösen sind.

Im Jahre 1913 kam der erste elektrische Scheinwerfer in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Seitdem hat sich sowohl die Gesellschaft als auch die Kraftfahrzeugbeleuchtung stark verändert. Entwicklungen von Scheinwerfertechnologien und Lichtquellen (Glühlampen, Halogenglühlampen, Gasentladungslampen, LEDs) für die Anwendung in Kraftfahrzeugen gingen stets mit gesellschaftlichen Entwicklungen einher. So wurde im Jahr 1957 das asymmetrische Abblendlicht eingeführt, welches in Deutschland und Europa bis heute eingesetzt wird. Dieses hat die Aufgabe bei minimaler Blendung des Gegenverkehrs die Fahrbahn für den Fahrzeugführer möglichst weit auszuleuchten. Außerhalb geschlossener Ortschaften sollte, wenn kein Gegenverkehr vorhanden ist, das Fernlicht eingeschaltet werden, um die Sichtweite für den Fahrzeugführer zu maximieren.

Statische Abblendlichtverteilungen (oben) und blendfreies Fernlicht (unten)

Aus heutiger Sicht reichen diese zwei Basislichtfunktionen jedoch nicht mehr aus, um die Herausforderungen im Straßenverkehr zu meistern. Durch die stetig wachsende Verkehrs- und Informationsdichte (auch in den Dunkelstunden) entstehen neue Verkehrsszenarien, für die optimale Beleuchtungsverhältnisse zu erforschen sind damit diese bei Bedarf durch die Scheinwerfer realisiert werden können. Erste Lichtverteilungen wurden in dieser Hinsicht bereits entwickelt und reguliert. So gibt es verschiedene statische Abblendlichtverteilungen für die Fahrt in der Stadt, auf der Autobahn und bei schlechten Witterungsbedingungen. Neben den statischen Lichtverteilungen wurden auch dynamische Lichtfunktionen entwickelt, um auf Änderungen des Fahrzeugvorfelds während der Fahrt zu reagieren. So wird durch das blendfreie Fernlicht (gfHBglare-free High Beam) außerhalb geschlossener Ortschaften eine permanente Fernlichtfahrt ermöglicht und dabei durch gezieltes Abblenden des Gegen- und vorausfahrenden Verkehrs das Blendpotential auf das Abblendlichtniveau gesenkt. Eine andere Herangehensweise stellt das Markierungslicht dar, das durch gezieltes Anleuchten relevanter Objekte die Aufmerksamkeit des Fahrzeugführers lenkt und somit höhere Detektionsentfernungen ermöglicht. Auch das dynamische Kurvenlicht sorgt durch das „in die Kurve hineinleuchten“ für höhere Detektionsentfernungen und ein angepasstes Blickverhalten des Fahrzeugführers.

Verkehrsszene im urbanen Verkehrsraum (oben) und Leuchtdichtebild (unten)

Da die dynamischen Lichtfunktionen hauptsächlich außerhalb geschlossener Ortschaften verwendet werden können, stellen sie nur für einen Teil des Straßennetzes eine zufriedenstellende Lösung dar. Durch die zunehmende Urbanisierung und die Entwicklung sogenannter „Mega-Cities“ ist ein Großteil des (nächtlichen) Verkehrsaufkommens städtischen Gebieten zuzuordnen. Hier dürfen aktuell jedoch keine dynamischen Lichtfunktionen wie das blendfreie Fernlicht und das Markierungslicht eingesetzt werden. Außerdem entstehen durch die vorhandene ortsfeste Beleuchtung auch andere Verkehrsszenarien als beispielsweise auf Landstraßen oder Autobahnen. Selbst innerhalb der städtischen Gebiete erzeugen unterschiedliche Straßenbeleuchtungssysteme unterschiedliche Verkehrsszenarien, sodass eine einzelne statische Stadtlichtverteilung nicht ausreicht, um in den verschiedenen Szenarien die bestmögliche Beleuchtungslösung zu erreichen.

Das Fachgebiet Lichttechnik nimmt sich dieser Problematik an und forscht an der Optimierung adaptiver Scheinwerferlichtverteilungen. Hierzu werden der Verkehrsraum und die aktuelle Beleuchtungssituation analysiert. Aus den Analysedaten und weiteren Erkenntnissen aus psychophysikalischen Untersuchungen zur objektiven und subjektiven Wahrnehmung werden für die verschiedenen Verkehrsszenarien verschiedene Lichtverteilungen optimiert und validiert.

In modernen Fahrzeugen werden immer mehr Fahrfunktionen vom Fahrzeug selbst übernommen, hierzu zählen aktuell automatische Abstands- und Spurhalteassistenten, automatische Notbremsassistenten und weitere Funktionen, die den Fahrzeugführer entlasten sollen. Das Ziel ist die vollkommene Automatisierung des Fahrzeuges, sodass der Fahrer während der Fahrt nicht eingreifen muss. Die verschiedenen Stufen der Automatisierung werden von der Society of Automotive Engineers (SAE) in fünf Level eingeteilt. Von Level 0 – keine Automation bis Level 5 – volle Automation. Für die Automatisierung von Fahrzeugen werden verschiedene Sensoren wie RADAR, LIDAR, Kameras, Ultraschallsensoren etc. verwendet.

Das Fachgebiet Lichttechnik forscht dabei an der Optimierung von Lichtverteilungen für Kamerasysteme, da diese, wie das menschliche Auge, ebenfalls im visuellen Wellenlängenbereich empfindlich sind. Für die Umsetzung der höheren Level ist eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Umgebung unter verschiedenen Witterungs- und Lichtverhältnissen zu gewährleisten. Die Forschung des Fachgebietes konzentriert sich hierbei auf die Optimierung von Lichtverteilungen zur Sicherstellung der Detektion von Objekten im Verkehrsraum (Fußgänger, Verkehrszeichen, andere Kraftfahrzeuge etc.) unter verschiedenen Licht– und Witterungsbedingungen. Im Vergleich zu adaptiven Scheinwerfersystemen steht hierbei nicht der Mensch im Mittelpunkt der Untersuchung, sondern verschiedene Kamerasensoren, die zusätzlich im Labor charakterisiert werden. Die Forschungsergebnisse aus dem Gebiet der adaptiven Scheinwerfersysteme werden zusätzlich verwendet, um die kameraoptimierten Lichtverteilungen auch für den menschlichen Fahrzeugführer optimal zu gestalten.

Neben der sicheren Detektion von Objekten gehört auch die Kommunikation mit schwächeren Verkehrsteilnehmern zu den Forschungsgebieten des Fachgebiets. Hierzu zählt beispielsweise die Erkennung der Intention, ob ein Fußgänger die Straße überqueren will und dabei das autonome Fahrzeug nicht gesehen hat, oder, um die Intention des hochautomatisierten Fahrzeugs an andere Verkehrsteilnehmer durch Lichtsignale zu übermitteln. Um die optimale Signaleinrichtung zu finden, setzt das Fachgebiet Lichttechnik auf reale Probandentests mit realen Signaleinrichtungen und zusätzlich auf Simulationen mithilfe verschiedener VR-Headsets.

Sicht eines Fußgängers bei einer simulierten Begegnungssituation mit einem hochautomatisierten Fahrzeug

Bei der Entwicklung von neuen lichttechnischen Systemen im KFZ-Bereich steht immer die visuelle Wahrnehmung des Menschen im Vordergrund. Bei der Entwicklung von neuen Lichtfunktionen muss demnach immer das Verhalten des Menschen berücksichtigt und untersucht werden. Dies wird am Fachgebiet Lichttechnik schon seit Jahren mit Feldtests unter annähernd realen Bedingungen auf dem Flugplatz in Griesheim oder im Realverkehr durchgeführt. Dennoch sind die Untersuchungsmöglichkeiten in Feldtests meist sehr eingeschränkt, da entweder die Reproduzierbarkeit für mehrere Probanden schwer kontrollierbar ist oder weil Untersuchungen bezüglich sicherheitsrelevanter Faktoren wie Brems-, oder Ausweichverhalten von Fahrern nicht umsetzbar sind. Aus diesem Grund wird am Fachgebiet Lichttechnik an neuen Möglichkeiten geforscht den Einfluss von neuartigen lichttechnischen Systemen mit Hilfe von Simulationen im Labor zu untersuchen.

Sicht eines Fahrers während einer simulierten Nachtfahrt.

Besonders vielversprechend sind hier sogenannte Head Mounted Displays (besser bekannt als Virtual-Reality-Brillen). Diese wurden in den vergangenen Jahren stetig weiterentwickelt und bieten die Möglichkeit die Anwender durch einen hohen Grad an Immersion in simulierte Szenarien zu versetzen. Hierbei kann Einfluss auf einen großen Bereich des Sichtfeldes der Anwender genommen werden, was im Fall eines Fahrsimulators bedeutet, dass das gesamte Cockpit virtuell dargestellt wird. Durch die Möglichkeit der freien Bewegung in einem virtuellen Raum besteht außerdem die Möglichkeit Fußgängersimulatoren aufzubauen, in denen zukünftige Verkehrskonzepte mit hochautomatisierten Fahrzeugen untersucht werden können.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt hier auf der Entwicklung neuer Testmethoden, die eine hohe photometrische Wiedergabetreue besitzen und somit vergleichbar mit Realtests sind.